герб

ГОСТы

флаг

Рекомендации Рекомендации по определению физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов геофизическими методами

Производственный и научно-исследовательский институт
по инженерным изысканиям в строительстве

(ПНИИИС) Госстроя СССР

Рекомендации
по определению физико-механических свойств
мерзлых дисперсных грунтов
геофизическими методами

Москва Стройиздат 1989

Разработан комплекс методов, включающий электроразведку на постоянном токе и сейсмоакустические методы в модификации наземных и скважинных измерений, радиоизотопный каротаж и термометрию. Рассмотрены физические основы применения отдельных методов комплекса, вопросы методики и техники выполнения наблюдений, геофизической и геологической интерпретации полученных данных, способы расчета физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов по данным отдельных методов и их комплексу. Приведены примеры выполнения расчетов и форма представления получаемых результатов.

Для геофизиков и инженеров-геологов проектно-изыскательских организаций, выполняющих работы на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов.

Разработаны ПНИИИС Госстроя СССР (кандидаты техн. наук Ю.Д. Зыков, Н.Ю. Рождественский, инж. О.П. Червинская, канд. геол.-минер. наук А.Н. Боголюбов) и НИИОСП Госстроя СССР (кандидаты техн. наук А.А. Морозов, Н.В. Лавров, инж. М.И. Сторожев).

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения . 2

1. Общие положения . 2

2. Электроразведка на постоянном и низкочастотном переменном токе . 4

3. Сейсмоакустические методы .. 7

4. Радиоизотопные методы .. 12

5. Термометрия . 15

6. Комплекс геофизических методов для определения физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов . 16

Приложение 1. Рекомендуемая аппаратура . 19

Приложение 2. Определение поправки за диаметр скважины и глубины точки замера при определении ρ t методом электрокаротажа . 20

Приложение 3. Номограммы для определения льдистости лв методами электроразведки и теоретические основы их расчета . 20

Приложение 4. Пример определения льдистости по данным электроразведки . 24

Приложение 5. Обобщенные зависимости скорости продольных волн от температуры при фиксированных значениях весовой влажности грунтов различного состава . 25

Приложение 6. Модель изменения параметров мерзлого грунта при изменении его влажности . 26

Приложение 7. Калибровка прибора и преобразователей при акустическом просвечивании . 27

Приложение 8. Форма записи результатов скважинных измерений . 27

Приложение 9. Сводные диаграммы зависимостей vp от параметров состава и температуры для мерзлых грунтов . 28

Приложение 10. Номограммы для определения механических свойств мерзлых грунтов по сейсмоакустическим данным .. 29

Приложение 11. Номограммы для определения компонентов льдистости по данным акустических измерений . 30

Приложение 12. Пример определения физико-механических свойств и элементов криогенного строения по данным акустических измерений . 32

Приложение 13. Графики для определения плотности и влажности по данным радиоизотопного каротажа . 34

Приложение 14. Экспериментально-аналитический способ градуировки радиоизотопных приборов для определения плотности и объемной влажности грунтов . 34

Приложение 15. Форма записи результатов измерений . 35

Приложение 16. Пример определения физико-механических свойств мерзлого грунта по данным радиоизотопного каротажа . 35

Литература . 36

Условные обозначения

Используемые параметры

Скорости счета импульсов:

N g е - естественного гамма-излучения;

N g - ослабленного гамма-излучения;

NW - замедленного нейтронного излучения.

Скорости распространения упругих волн:

vP ˝ - продольной в горизонтальном направлении;

vP - продольной в вертикальном направлении;

vR - релеевской в вертикальном направлении;

vS - поперечной в горизонтальном направлении.

Удельное электрическое сопротивление:

ρ m - среднеквадратическое;

ρ t - продольное;

d - диаметр скважины;

θ - температура;

D - плотность твердых частиц (оценивается по литологическому составу).

Определяемые характеристики

л.с. - литологический состав;

W о - объемная влажность;

W с - суммарная влажность;

Л - льдистость и ее параметры;

g - плотность грунта;

g ск - плотность скелета грунта;

п - пористость;

Ед - динамические модули упругости;

Ес - статический модуль упругости;

Едеф - модуль деформации;

s сж - временное сопротивление одноосному сжатию.

Коэффициенты анизотропии:

χ - скорости распространения продольных волн;

λ - удельного электрического сопротивления.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Возможности использования геофизических методов для оценки физико-механических свойств мерзлых грунтов базируется на существовании связей между ними с одной стороны и свойствами, определяемыми в процессе геофизических работ - с другой. В основе этих связей могут лежать либо функциональные зависимости, обусловленные единством физических полей, либо зависимости тех и других от одних и тех же параметров состава, строения и состояния пород.

1.2. Под параметрами состава понимается количество и общая характеристика твердых, жидких и газообразных компонентов грунта в занимаемом объеме; под параметрами строения грунта понимается форма, размеры и взаимное расположение этих компонентов; под параметрами состояния понимаются характеристики естественных или искусственных полей, в которых существует изучаемый объем грунта. В соответствии с такими представлениями свойства грунтов - это реакция на изменение их состояния.

1.3. Наряду со строением грунта следует различать строение массива, которое характеризует форму, размеры и местоположение достаточно крупных неоднородностей, состоящих из однородных или квазиоднородных грунтов.

1.4. Определяемые в процессе инженерно-геологического опробования параметры состава, строения, состояния и физико-механические свойства грунта относятся к объемам, измеряемым кубическими дециметрами, реже метрами, характеризующими, как правило, отдельные точки массива.

При геофизических исследованиях использование различных по размерам измерительных установок и длин волн позволяет определять параметры, относящиеся к различным объемам и таким образом переходить от характеристик массива в точках к крупным его элементам. На решение этой же задачи направлено комплексирование видов наблюдений: наземных, скважинных и наземно-скважинных.

1.5. В процессе геофизических наблюдений измеряются параметры соответствующих геофизических полей, структура и интенсивность которых в общем случае зависит не только от физических свойств грунтов, но и от строения массива. Поэтому параметры геофизических полей не тождественны физическим свойствам грунтов и могут совпадать лишь в случае однородных изотропных сред.

С помощью специальных приемов интерпретации осуществляется переход от параметров геофизических полей к параметрам строения массива и физическим свойствам грунтов в пределах выделенных неоднородностей.

1.6. Найденные таким образом физические свойства грунтов могут быть использованы для вычисления параметров состава, строения, состояния и физико-механических свойств с помощью установленных между ними связей. Этот этап обычно называется геологической интерпретацией геофизических данных.

1.7. На практике широко применяются экспериментальные способы установления связей, при которых используются результаты натурных наблюдений и данные, полученные на образцах естественного сложения или приготовленных искусственным путем (физическое моделирование).

Наиболее распространено установление парных зависимостей, которые могут иметь функциональный (причинно-следственный) или стохастический (корреляционный) характер. Независимо от жесткости этих связей, при практическом их применении требуется специальная проверка и корректировка для каждого конкретного случая.

Более универсальный характер носят многопараметровые зависимости, полученные с учетом изменения всех основных параметров состава, строения и состояния.

1.8. При установлении связей и особенно при их практическом применении необходимо учитывать масштабность исследований. Она связана непосредственно с соотношением базы наблюдений и длины волн с одной стороны, и размерами изучаемых объемов, с другой.

1.9. Разрешающая способность геофизических методов такова, что в большинстве случаев надежно выделяются неоднородности, линейные размеры которых соизмеримы или превышают базы и длины волн. Если размеры неоднородностей существенно меньше, то среда по геофизическим данным фиксируется как однородная (квазиоднородная). Таким образом одна и та же среда в зависимости от масштаба исследований может выступать как в качестве неоднородной, так и квазиоднородной.

1.10. Признаком неоднородности среды является закономерное изменение параметров измеряемого поля как при увеличении или уменьшении баз и длин волн, так и при перемещении измерительных установок с постоянными базами и длинами волн.

Признаком квазиоднородности среды будет служить постоянство параметров поля при достаточно больших базах и длинах волн и закономерные изменения параметров при их уменьшении.

К параметрам полей, получаемым при малых базах и длинах волн, следует подходить так же, как и в случае неоднородных сред.

Признаком однородной среды является постоянство параметров полей независимо от размеров баз и длин волн.

1.11. Многопараметровый характер связей между физическими свойствами и параметрами состава, строения и состояния грунтов в большом числе случаев делает геологическую интерпретацию данных одного геофизического метода неоднозначной.

Для исключения или уменьшения пределов неоднозначности используется комплекс нескольких геофизических методов, основанных на изучении различных физических полей. Кроме возможностей повышения точности определения параметров грунтов и взаимоконтроля и корректировки результатов, получаемых каждым методом в отдельности, применение комплекса геофизических методов позволяет определять ряд параметров, которые ни одним из методов в отдельности определены быть не могут.

1.12. Основные требования, предъявляемые к геофизическим методам, используемым для определения физико-механических свойств мерзлых грунтов, заключаются в следующем:

связи, используемые для геологической интерпретации данных метода, должны быть теоретически обоснованы и хорошо изучены;

метод должен позволять определять свойства с достаточной степенью точности;

метод по возможности должен решать структурные задачи;

предпочтительно использовать методы, позволяющие проводить разномасштабные исследования (от образца до массива).

Рис. 1. Схема использования геофизических параметров для определения физико-механических характеристик мерзлых грунтов

1 - сейсмоакустические; 2 - радиоизотопные; 3 - электрические

В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечает комплекс методов, включающий электроразведку на постоянном и низкочастотном переменном токе, сейсмоакустические и радиоизотопные методы, термометрию.

1.13. Общая схема использования параметров, определяемых с помощью перечисленных методов, Для оценки физико-механических свойств мерзлых грунтов приведена на рис. 1.

Основным объектом комплексных геофизических исследований, выполняемых в соответствии со схемой, являются сухие необсаженные скважины.

1.14. Данные, полученные по разрезу скважины, распространяются на околоскважинное пространство с помощью наземных и наземно-скважинных методов.

2. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА НА ПОСТОЯННОМ И НИЗКОЧАСТОТНОМ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

2.1. Для определения инженерно-геологических характеристик мерзлых пород наиболее широко применяется электроразведка на постоянном и низкочастотном переменном токе. К числу ее преимуществ перед другими электроразведочными методами относятся:

применимость в районах распространения любых пород;

возможность определения пространственного положения геоэлектрических границ и электрических свойств пород в массиве;

наличие серийной электроразведочной аппаратуры, хорошо разработанной методики проведения полевых работ и приемов интерпретации результатов наблюдений;

сравнительно высокая производительность и мобильность, допускающая ее применение в труднодоступных районах.

2.2. Основным электрическим параметром, несущим информацию о составе, строении и состоянии мерзлых грунтов и льда, является удельное электрическое сопротивление (УЭС).

2.3. Электропроводность мерзлых горных пород имеет ионную природу и зависит от факторов, определяющих количество и характер распределения незамерзшей воды, т.е. от литологии, минерализации, пористости, льдистости, криогенной текстуры, температуры.

2.4. Связи, устанавливаемые между указанными параметрами с одной стороны и УЭС пород с другой, являются основой для геокриологической интерпретации данных электроразведки.

2.5. Измеряемыми параметрами в электроразведке являются разность потенциалов D V на приемных электродах и ток I в питающей цепи. По ним рассчитывается параметр , зависящей как от УЭС горной породы, так и от граничных условий (т.е. геометрии измерительной установки, учитываемой коэффициентом К, и конфигурации границ среды). Информация об УЭС по известному параметру ρк извлекается в результате различных приемов интерпретации в соответствии с используемым электроразведочным методом.

2.6. Точность определения параметра ρк подсчитывается по формуле

δ ρ к = δ D V + δ I,

где δ D V и δ I - паспортные данные измерителей разности потенциалов и тока (обычно δ ρ к = 3-5 %).

Точность определения УЭС зависит, в первую очередь, от точности способа интерпретации и от типа исследуемого разреза. Для некоторых типов разреза она может быть оценена аналитически [ 2]. В общем случае точность определения УЭС оценивается статистической обработкой результатов проверки по данным бурения, в среднем ошибка составляет 10 %.

2.7. Основным требованием к измерительной аппаратуре является высокое входное сопротивление ( R вх ³ 1,5 МОм) [ 3] и возможность измерения разности потенциалов от первых единиц до тысячи милливольт. Обычно измерительными приборами на постоянном токе служат электроразведочные компенсаторы ЭСК-1 или АЭ-72 (прил. 1).

2.8. По способу измерений и характеру решаемых задач методы постоянного и низкочастотного переменного тока подразделяются на профилирование, вертикальное электрическое зондирование и каротаж скважин.

2.9. Электропрофилирование (ЭП) применяется для изучения строения массивов талых и мерзлых грунтов в горизонтальном направлении. С помощью ЭП решаются следующие задачи:

выделение участков распространения мерзлых грунтов в плане;

поиск и определение элементов залегания жильных льдов;

изучение изменений состава, влажности (льдистости), криогенной текстуры и температуры мерзлых грунтов в горизонтальном направлении.

2.10. В зависимости от характера изучаемого поля и измеряемых параметров могут быть выделены следующие виды профилирования:

профилирование на постоянном токе и низкочастотном переменном токе методом сопротивления (ЭП КС);

профилирование на постоянном токе методом двух составляющих (ЭП МДС).

2.11. Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) в зависимости от характера изучаемого поля и измеряемых параметров разделяется на ВЭЗ на постоянном и низкочастотном переменном токе методом сопротивления (ВЭЗ КС) и по методу двух составляющих (ВЭЗ МДС).

2.12. С помощью ВЭЗ решаются следующие задачи:

выделение в разрезе слоев различного литологического состава и определение их элементов залегания;

определение мощности мерзлых грунтов, обнаружение чередования талых и мерзлых грунтов в вертикальном направлении и оценка их мощности;

изучение изменения состава, влажности (льдистости), криогенной текстуры и температуры мерзлых грунтов в вертикальном направлении.

2.13. В случае горизонтально-слоистого геоэлектрического строения массива применяются ВЭЗ КС. При необходимости изучения наклонных и крутопадающих геоэлектрических границ применяются круговые ВЭЗ КС и ВЭЗ МДС.

2.14. Электрический каротаж скважин выполняется по методу КС двумя типами зондов: градиент- и потенциал-зондами.

2.15. С помощью электрического каротажа скважин могут быть решены следующие задачи:

уточнение границ в массиве между грунтами различного состава;

выделение слоев грунтов с различной криогенной текстурой;

обнаружение мощных прослоев льда или интервалов с повышенной льдистостью;

определение общей льдистости грунтов за счет ледяных включений.

Сведения, получаемые в результате обработки каротажных диаграмм, необходимы также для повышения точности интерпретации данных ВЭЗ.

2.16. Специфика электрического каротажа мерзлых пород заключается в том, что все измерения могут быть проведены только в сухих необсаженных скважинах. Электрокаротаж осуществляется зондами со щеточными электродами, смонтированными на штанге из изолятора. Оптимальными размерами зондов являются: для градиент-зонда А1М0,1 N , для потенциал-зонда A 1 M (размеры, м); шаг измерений по глубине для соблюдения непрерывности составляет 10 см. Электрод В для градиент-установки и электроды В и N для потенциал-установки относятся на расстояние, в 10 раз превышающее глубину каротируемой скважины (на «бесконечность»), при этом В и N разносятся в противоположных направлениях.

2.17. Результаты электроразведочных работ представляются по общепринятой форме:

ЭП - в виде графиков изменения ρк по профилю и карт изоом;

ВЭЗ и ВЭЗ МДС - в виде кривых на билогарифмическом бланке;

каротаж КС - в виде каротажных диаграмм изменения ρк с глубиной (прил. 4).

2.18. Интерпретация ВЭЗ производится любым из общеизвестных способов:

с помощью палеток A . M . Пылаева, А.А. Огильви, К. Шлюмберже и др.;

с помощью ЭВМ;

с помощью номограмм по методу особых точек.

Интерпретация ВЭЗ МДС производится по методике, изложенной в [ 4].

2.19. В результате интерпретации ВЭЗ и ВЭЗ МДС определяется геоэлектрический разрез, характеризуемый среднеквадратичными значениями УЭС ρ m для каждого из выделенных слоев. Положение геоэлектрических границ при наличии скважин уточняется с помощью данных каротажа, выполненного градиент-зондом.

2.20. Данные электрокаротажа, полученные потенциал-зондом, позволяют получить значения продольного УЭС ρ t для каждого из слоев, с учетом поправок за диаметр скважины (прил. 2).

2.21. Несовпадение значений ρm и ρt свидетельствует о наличии анизотропии УЭС. Коэффициент анизотропии рассчитывается по формуле λ = ρm/ρt. В этом случае значение мощности анизотропного слоя, определенное по ВЭЗ, должно быть уменьшено в λ раз:

,

где h ист - истинная мощность слоя; h ВЭЗ - мощность слоя, полученная при интерпретации кривой ВЭЗ; λ - коэффициент анизотропии.

2.22. Инженерно-геологическая интерпретация данных электроразведочных методов производится с помощью номограмм 1-4 (прил. 3).

2.23. Цитологическое расчленение мерзлой толщи производится по УЭС в соответствии с номограммой, которая отражает корреляционную зависимость УЭС дисперсных мерзлых грунтов массивной текстуры от литологического состава и температуры (рис. 1, прил. 3).

2.24. Совместное использование данных ВЭЗ ρm и электрокаротажа ρ t позволяет оценивать криогенную текстуру и льдистость мерзлых грунтов. Качественная оценка криотекстуры производится в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Значения ρm, ρ t , Ом·м

λ = 1

1 < λ < 10

λ ³ 10

ρ m ³ 103

Равномерно-сетчатая

Слоисто-сетчатая

Слоистая

ρ t ³ 103

ρ m < 103

Массивная

Линзовидная

-

ρ t < 103

2.25. Количественное определение льдистости (прил. 4) за счет льдовыделений Лв производится по номограммам 2-6, прил. 3 для определенного типа криотекстуры следующим образом. При известных литологическом составе грунта и его температуре по номограмме 1, прил. 3 определяется УЭС породы с массивной текстурой ρпр и вычисляются отношения ρm/ρпр и ρ t /ρпр, используя значения УЭС, полученные по ВЭЗ (ВЭЗ МДС) и каротажу. Эти значения ρm/ρпр и ρ t /ρпр откладывают на соответствующих осях номограммы, после чего, двигаясь по номограмме параллельно оси абсцисс, находят точку пересечения данных ординар ρm/ρпр и ρ t /ρпр с кривыми, имеющими одинаковый индекс. Считывая абсциссу найденных точек, определяют значения льдистости Лв (рис. 2 ).

Рис. 2. Ключ к номограммам определения льдистости Лв по данным электроразведки (прил. 3)

3. СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.1. К параметрам пород, определяемым с помощью сейсмоакустических методов, относятся скорости распространения упругих волн, показатели поглощения этих волн и спектральные характеристики.

В рекомендациях основное внимание уделено определению скоростей упругих волн - продольных v Р , поперечных vS и поверхностных v R . Показатели поглощения и спектральные характеристики для решения инженерно-геологических задач практически не применяются в силу недостаточной изученности и отсутствия аппаратурного обеспечения.

3.2. Возможность использования скоростей упругих волн для оценки инженерно-геологических характеристик базируется на скоростной дифференциации мерзлых грунтов, обусловленной различием их состава, строения и состояния.

3.3. Зависимости скоростей продольных волн от температуры и влажности для мерзлых пород различного литологического состава представлены в виде графиков, полученных в результате обобщения большого массива экспериментальных данных (прил. 5).

3.4. Взаимосвязь акустических параметров с физическими характеристиками мерзлых грунтов может быть представлена в виде сводных диаграмм (прил. 9), построенных на базе модели изменения грунта при изменении его влажности (прил. 6).

3.5. Возможность использования сейсмоакустических методов для определения динамических упругих параметров основана на существующих теоретических связях между скоростями упругих волн ( v Р , vS и v R ) с одной стороны и динамическими коэффициентами Пуассона μ и модулем Юнга Eg - с другой.

или

где g - плотность грунта.

3.6. Физически обоснованными являются также связи упругих параметров с деформационными и прочностными характеристиками [ 6 , 7 ]. Количественное их выражение устанавливается, как правило, с помощью корреляции и выражается в виде эмпирических зависимостей:

Ес = 0,6 + 0,16 Е g + 0,01 Е g 2 ;

где Ес - статический модуль упругости; Едеф - модуль деформации.

Связь между скоростью продольных волн и сопротивлением одноосному сжатию (скорость нагружения образца 2 МПа/мин) выражается уравнением

где А, В, С - коэффициенты, зависящие от температуры.

3.7. Криогенные текстуры мерзлых грунтов вызывают, как правило, анизотропию (точнее квазианизотропию) упругих свойств, что может быть положено в основу оценки их строения.

Параметром, определяющим анизотропию, является коэффициент χ, равный отношению скоростей v ˝ / v , где v ˝ - скорости упругих волн, распространяющихся в горизонтальном направлении, v - скорости упругих волн, распространяющихся в вертикальном направлении.

3.8. Наибольшей анизотропией обладают грунты со слоистой криогенной текстурой. Коэффициент анизотропии в них при прочих равных условиях зависит от толщины шлиров льда и тем самым от влажности.

3.9. У грунтов с массивной и равномерно-сетчатой криогенной текстурой анизотропия отсутствует (χ = 1).

3.10. В мерзлых грунтах со сложным криогенным строением общая льдистость Ло может быть представлена в виде следующих компонентов (рис. 3 ):

Ло = Лв + Лц = Л׀׀ + Лрр + Лц = Л׀׀ i ,

где Л i = Лрр + Лц; Лв, Лц, Л׀׀, Лрр - лед шлировыделений, лед-цемент, лед, обусловливающий анизотропию, лед равномерно-сетчатой текстуры, соответственно.

Для слоистой текстуры Лрр = 0, для равномерно-сетчатой - Л׀׀ = 0, для массивной Л׀׀ + Лрр = 0.

3.11. Экспериментальные исследования зависимости коэффициента анизотропии от толщины шлиров льда, выполненные в рамках моделей слоистых и слоисто-сетчатых текстур с различными параметрами (температура, влажность, литологический состав), позволили построить номограммы, связывающие Ло, Л׀׀ , Л i ).

Анизотропия свойств грунтов со слоисто-сетчатой криогенной текстурой обусловлена только преобладанием толщины шлиров льда в одном из направлений.

3.12. Для определения скоростей упругих волн, как основных информативных параметров в различных точках массива, и характеризующих различные объемы мерзлых грунтов, используется комплекс сейсмоакустических методов, состоящий из сейсмических наблюдений на дневной поверхности методом преломленных волн (МПВ), акустического каротажа (АК), межскважинного просвечивания (МП), вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и акустического измерения на образцах.

3.13. С помощью наземной сейсморазведки решаются следующие задачи:

изучение строения массива;

определение скоростей распространения упругих волн ;

прослеживание изменения состава и состояния мерзлых пород в плане;

проведение наблюдений за динамикой сезонного промерзания и оттаивания.

3.14. Акустические измерения в скважинах АК и МП обеспечивают:

получение истинных значений скоростей упругих волн;

расчленение разреза по скоростям упругих волн;

оценку состава грунта;

расчет упругих модулей выделенных слоев;

оценку прочностных и деформационных характеристик пород.

3.15. Акустический каротаж (АК) позволяет определять скорости продольных vP и поверхностных vR волн, распространяющихся в вертикальном направлении, при межскважинном просвечивании (МП) определяются скорости продольных vP ˝ и поперечных vS ˝ волн, распространяющиеся в горизонтальном направлении.

Рис. 3. Модель распределения компонентов льда в объеме мерзлого грунта со слоисто-сетчатой криогенной текстурой

Совместное использование данных АК и МП позволяет:

определять упругую анизотропию исследуемого массива;

оценивать особенности криогенного строения мерзлых пород.

3.16. Акустическое измерение на образцах (керне) используется в основном для:

определения скоростей продольных волн по разным направлениям;

непосредственного сопоставления инженерно-геологических характеристик со скоростями упругих волн.

3.17. Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) позволяет, опираясь на данные АК и МП, производить детальное расчленение околоскважинного пространства по упругим свойствам.

3.18. Лабораторные акустические измерения служат для установления зависимостей между инженерно-геологическими и акустическими свойствами мерзлых грунтов, которые используются при интерпретации результатов применения наземных и скважинных методов.

3.19. В зависимости от конкретных решаемых задач, сложности геосейсмического разреза, характера объекта и стадии изысканий применяются либо все методы в комплексе, либо некоторые из них.

3.20. Наземная сейсморазведка выполняется в соответствии с «Инженерными изысканиями для строительства. Технические требования к производству геофизических работ. Сейсморазведка. РСН 66-87*».

3.21. Акустические измерения в скважинах и на образцах осуществляются с помощью импульсной ультразвуковой аппаратуры, марки и основные характеристики которой приведены в прил. 1.

3.22. Каротажные измерения ведутся в сухих необсаженных скважинах. Методика проведения работ, специфика измерений в таких скважинах и получение скоростей упругих волн изложены в «Инструкции по применению каротажных методов при инженерных изысканиях для строительства» ( РСН 46-79).

3.23. Межскважинное просвечивание выполняется между двумя скважинами, в одной из которых проводится акустический каротаж. Расстояние между скважинами выбирается таким, которое обеспечивает получение сигнала с помощью используемой аппаратуры (для мерзлых грунтов, как правило, X = 70 - 100 см). Для исключения ошибок определения базы прозвучивания по глубине скважин, связанных с отклонением их от вертикали, необходимо учитывать расхождение или сближение стволов скважин. Это может осуществляться с помощью отвесов или по непараллельности штанг над скважиной при их четком расположении по оси скважин.

3.24. МП осуществляется при нахождении излучателя и приемника в разных скважинах на одной глубине и одновременном их подъеме, либо при многократном перекрытии исследуемого участка лучами различных направлений. Шаг наблюдений, принятый в инженерной геофизике, изменяется от 0,1 до 0,5 м в зависимости от неоднородности разреза и решаемых задач.

3.25. Для регистрации продольных волн по первому вступлению датчики должны ориентироваться соосно. Для выделения во вторых вступлениях поперечной волны оси излучателя или приемника должны составлять с направлением просвечивания угол 35-50°. Это достигается поворотом одного или обоих датчиков вокруг оси с помощью штанг, на которых они крепятся жестко.

3.26. При ультразвуковом МП используются датчики поршневого типа, работающие в области низких ультразвуковых частот (25-60 кГц). Предпочтение отдается датчикам с более низкой частотой, обладающим широкой диаграммой направленности, которая позволяет получать интегральные характеристики скоростей упругих волн, распространяющихся вдоль слоистости, v ˝.

3.27. Прижим датчиков к стенкам скважин осуществляется с помощью пневмосистем, надежно фиксирующих датчики на каждой глубине. Для осуществления лучшего контакта со стенками скважин излучающая и принимающая поверхности датчиков должны иметь форму усеченного конуса с прижимной площадкой в несколько миллиметров.

3.28. Расчет скоростей продольной и поперечной волн при МП в каждой точке производится по формуле

где х - база просвечивания между устьями скважин на поверхности; D х - поправка за невертикальность скважин; t отс - время первого вступления; D t - поправка; К - множитель цены деления.

Поправка D t и множитель цены деления К определяются в процессе калибровки прибора и датчиков (прил. 7).

3.29. При керноскопии, использующей методику просвечивания, по первому вступлению определяют скорости распространения продольных волн вдоль и поперек керна ( vP к ˝ и vP к - соответственно). Для корректного использования этих значений необходимо отсутствие градиента температуры в керне и четкая привязка данных к абсолютному значению температуры. Это может достигаться применением специальных способов термостатирования образцов или выполнением измерений при температуре воздуха ниже 0° и достаточно близкой к температуре пород в коренном залегании. При существенной разнице температур необходимо соответствующее выдерживание керна с охраной его от иссушения.

3.30. Лабораторные акустические измерения проводятся в соответствии с [ 5]. В случае выполнения измерений на образцах ненарушенного строения к ним предъявляются требования, сформулированные в ГОСТ 12071-84.

3.31. Результаты измерений и расчетов скоростей упругих волн АК и МП фиксируются в табличной форме (прил. 8).

3.32. Результаты определения vP , vP ˝, vR , vS ˝ и χ представляются в виде диаграмм распределения этих величин по глубине скважины. Если керноскопия выполняется с соблюдением равенства температуры керна температуре в коренном залегании, ее результаты ( vP к , vP к ˝, χк) могут также быть представлены на соответствующих диаграммах.

3.33. Интерпретация результатов измерения скоростей упругих волн ведется в следующих направлениях: оценка состава мерзлого грунта, определение упругих, деформационных и прочностных свойств, оценка криогенного строения и его параметров.

3.34. Опорными значениями скоростей продольных волн, используемых в номограммах, являются значения:

vP (результаты АК), если χ > 1 (горизонтально-слоистая текстура);

vP ˝ (результаты МП), если χ < 1 (вертикально-слоистая текстура);

vP или vP ˝, если χ ≈ 1 (массивная, либо равномерно-сетчатая текстура).

3.35. С помощью номограмм (прил. 5) оценивается литологический состав в том случае, если известны температура и суммарная влажность, полученная по данным радиоизотопного метода. Возможно и определение влажности при известном литологическом составе и температуре.

Если сочетание параметров v Р , Wc и θ не укладывается в рамки приведенных зависимостей, необходимо прибегать к методу интерполяции между номограммами для грунтов разного литологического состава.

3.36. Диаграммы (прил. 9), построенные по экспериментальным данным на базе модели, описанной в прил. 6, позволяют определять физические характеристики грунта g , g ск , n , q по известным литологическому составу и значениям v Р и θ.

3.37. Значения v Р и v R либо v Р и v S используются для расчета коэффициента Пуассона μ и динамических модулей Юнга Eg по формулам, приведенным в п. 3.5, для чего необходимы дополнительные данные о плотности g , получаемые при радиоизотопном каротаже.

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона являются основой для расчета модуля сдвига G и объемного расширения К по формулам:

G = Е g /2 (1 + μ );

К = Eg /3 (1 - 2μ).

3.38. Для определения μ и Е g может быть использована специальная номограмма (рис. 4). Отправной точкой является отношение v R / v P , откладываемое на оси абсцисс; ордината пересечения его с кривой 1 дает значение μ; далее определяется точка пересечения ординаты, имеющей значение μ, с кривой 2, затем абсциссы этой точки с прямой 3, соответствующей известному значению g , и далее ординаты этой точки с прямой 4, соответствующей значению vP ; абсцисса этой точки является искомым значением Eg .

Модули μ и Е g могут быть определены также с помощью номограмм, приведенных в прил. 10.

3.39. При определении модулей упругости следует иметь в виду, что приведенные формулы и номограммы строго справедливы лишь для изотропных сред.

Рис. 4. Номограмма для определения динамического модуля Юнга и ключ к ее использованию

3.40. Оценка величины модуля деформации Едеф осуществляется по значениям скоростей продольных волн с помощью формулы, приведенной в п. 3.6, либо с помощью ее графического выражения (прил. 10, рис. 2).

3.41. График корреляционной связи между динамическим и статическим модулями упругости Eg и Ес для мерзлых пород, приведенной в прил. 10, рис. 3, дает возможность оценки статического модуля упругости по результатам акустических измерений.

3.42. Определение временного сопротивления одноосному сжатию s сж осуществляется с помощью номограмм (прил. 10, рис. 4), построенных на основании экспериментальных данных для дисперсных грунтов и льда и связывающих s сж со значениями v Р и θ.

3.43. Значения Ес и s сж , полученные по приведенным корреляционным связям, справедливы только для грунтов с массивной криотекстурой, на которых они получены.

3.44. Многочисленные расчеты, подтвержденные экспериментальными исследованиями, показывают, что точность определения скоростей упругих волн составляет 1-1,5 %, динамических упругих параметров 2-2,5 % и характеристик, оцененных с помощью корреляционных связей s сж , Едеф, Ес - 10-15 %.

Рис. 5. Ключ к номограммам определения компонентов льдистости (прил. 11)

Следует иметь в виду, что при межскважинном просвечивании точность определения скоростей упругих волн снижается в соответствии с точностью определения баз.

3.45. Оценка криогенного строения выполняется в два этапа:

качественная оценка типа криогенной текстуры;

количественное определение компонентов льдистости.

3.46. Качественная оценка типа криогенной текстуры производится на основании сопоставления скоростей распространения волн в горизонтальном и вертикальном направлениях и их отношения χ, см. пп. 3.8; 3.9; 3.34. При χ = 1 грунты имеют массивную текстуру, если W с £ W г , и равномерно-сетчатую текстуру, если W с > W г , ( W г - влажность грунтовых прослоев, характерная для данной литологической разности).

3.47. Количественное определение компонентов льдистости (п. 3.10 ) выполняется с помощью номограмм, составленных для суглинков и глин при различных температурах (прил. 11 , 12 ).

По номограммам определяется точка пересечения значений χ (рис. 5, ордината) и W об , величина которой является индексом соответствующей кривой, нанесенной на номограмме или построенной путем интерполяции. Кривая равных значений Л i , проходящая через эту точку, определяет льдистость грунта с равномерно-распределенным льдом; абсцисса точки определяет Л i - льдистость, обусловливающую анизотропию. Величина Л i за вычетом Лц дает значение Лрр, толщина преобладающих по мощности шлиров льда определяется как Л׀׀ + Лрр/3.

3.48. Определение физико-механических свойств может выполняться по точечным значениям скоростей упругих волн с последующим определением по интервалам. Более удобным способом является выделение интервалов, характеризующихся близкими значениями скоростей, определение средних значений скоростей и расчет физико-механических свойств по их значениям. Результаты обработки представляются в виде диаграмм распределения по глубине всех измеренных и рассчитанных параметров (прил. 12).

4. РАДИОИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ

4.1. Радиоизотопные методы при исследованиях мерзлых грунтов в общем комплексе геофизических методов, как правило, применяют для определения плотности, объемной влажности и производных от этих величин показателей грунта, а также оценки содержания в нем глинистых частиц.

Радиоизотопные методы позволяют определять показатели свойств мерзлых грунтов в естественном залегании.

4.2. Плотность грунта определяют методами ослабленного и рассеянного первичного гамма-излучения.

Методы определения плотности g грунта основаны на эффекте рассеяния и ослабления гамма-излучения на электронах атомов вещества, из которого состоит грунт.

Метод ослабленного первичного гамма-излучения (метод просвечивания) заключается в измерении и регистрации плотности потока гамма-квантов N g , прошедшего через исследуемый слой грунта между радиоизотопным источником и детектором гамма-излучения.

Метод рассеянного первичного гамма-излучения заключается в измерении и регистрации плотности потока гамма-квантов N g , рассеянных при взаимодействии потока первичного гамма-излучения с грунтом.

4.3. Объемную влажность Wo грунта определяют методом рассеянного нейтронного излучения (нейтронный метод).

Метод основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на атомах веществ (в основном атомов водорода), из которых состоит грунт и зависимости между водородосодержанием среды и влажностью грунта. Нейтронный метод определения объемной влажности заключается в регистрации потока замедленных (тепловых, надтепловых) нейтронов Nw .

4.4. Содержание глинистых частиц (глинистость) оценивается по потоку гамма-излучения  исходящего из грунта. Метод основан на зависимости между содержанием радиоактивных элементов в грунте и содержанием в нем глинистых частиц.

4.5. Значения плотности и объемной влажности определяют по градуировочным зависимостям N g = f ( y ) и Nw = f ( Wo ), выражающим связь между скоростью счета импульсов N g , Nw и указанными характеристиками (прил. 13).

4.6. Оценку содержания глинистых частиц b ГЛ выполняют по связи ( b гл = f ( ).

4.7. Определение плотности, объемной влажности и оценка глинистости выполняется радиоизотопными приборами, состоящими из следующих функциональных блоков:

первичных преобразователей с детекторами излучения (гамма, нейтронного);

регистраторов;

блоков радиоизотопных источников излучения (гамма, нейтронного).

Рекомендуемые к применению радиоизотопные приборы и их основные технические характеристики приведены в прил. 1.

4.8. Определение плотности грунтов следует производить в соответствии с ГОСТ 23061-78, ГОСТ 24181-80, а естественную радиоактивность в соответствии с ГОСТ 25260-82.

4.9. Градуировка радиоизотопных приборов производится в соответствии с ГОСТ 23061-78 и ГОСТ 24181-80.

Допускается для градуировки радиоизотопных плотномеров и влагомеров использовать экспериментально-аналитический способ, изложенный в прил. 14.

4.10. Погрешность радиоизотопных измерений складывается из случайной и систематической составляющих, которые зависят от следующих факторов:

аппаратурных (активность и энергетический спектр радиоизотопных источников, эффективность детекторов, взаимное расположение источника и детектора (база) и взаимовлияние различных излучений при одновременном определении плотности и влажности);

скважинных (диаметр скважины, толщина стенки и материал обсадных труб, затрубные зазоры, уплотнения и каверны в грунте, обводненность скважины);

грунтовых (химический состав, неоднородность грунта).

Аппаратурные факторы являются причиной проявления систематической погрешности и должны быть учтены в процессе градуировки приборов. Скважинные и грунтовые факторы могут являться причиной появления, как случайной составляющей погрешности, так и систематической составляющей погрешности и должны быть выявлены и учтены при поверке радиоизотопных приборов.

4.11. Поверка приборов выполняется при их получении, периодической аттестации, и после ремонта в полевых условиях применительно к конкретным условиям измерений.

Поверка приборов выполняется не менее, чем на 3-х инженерно-геологических элементах. Значения плотности и влажности этих элементов должны быть равномерно распределены во всем диапазоне, характерном для грунтов исследуемого региона.

4.12. Инженерно-геологические элементы, используемые для поверки радиоизотопных приборов, должны быть мощностью не менее 1 м и иметь коэффициенты вариации: по плотности не более 0,025; по влажности в диапазоне значений: 2-10 % - 0,1; 10-20 % - 0,05; >20 % - 0,025.

Примечание . При регулярном проведении измерений должна проводиться ежедневная поверка радиоизотопных приборов на эталонной среде.

В качестве эталонной среды для плотности g = 1 т/м3 и объемной влажности 100 % допускается использовать естественный водоем или емкость с водой размером не менее 600 ´ 800 мм.

4.13. Поверку радиоизотопных приборов в полевых условиях проводят следующим образом:

на основании имеющихся предварительных данных о геологическом строении исследуемого региона проводят поиск участков с выдержанными значениями характеристик грунтов;

на выбранных участках проходят зондированные скважины, такого же типа, как скважины, используемые для рабочих измерений, и проводят в них измерения с шагом 10 см; по полученным результатам измерений выделяют интервалы мощностью не менее 10 м с выдержанными значениями регистрируемых величин (отклонение от среднего значения не более 3 %) и принимают их в качестве эталонных для поверки радиоизотопного прибора;

на расстоянии не более 0,5 м от зондировочной проходят техническую скважину, и на уже выбранных интервалах, используемых при поверке в качестве эталонных, отбирают не менее 5 проб для лабораторного определения плотности и влажности, с целью получения сопоставительных результатов.

4.14. Разность между значениями плотности и влажности, полученными в лаборатории и радиоизотопными методами, не должна превышать погрешностей:

при определении плотности (с доверительной вероятностью случайной составляющей Р = 0,9) - 0,05 т/м3;

при определении влажности (с доверительной вероятностью случайной составляющей Р = 0,95) - 2 % в диапазоне от 2 до 50 % и 3 % в диапазоне > 50 %.

Если отклонения превышают вышеуказанные значения, то требуется переградуировка радиоизотопных приборов.

4.15. Проведение измерений в зондировочных скважинах производят после выполнения требований в градуировке и поверке.

4.16. Для измерений в необсаженных скважинах необходимо: проверить скважину и внести в полевой журнал данные о ее состоянии и конструкции; провести измерения диаметра скважин по всей глубине, с шагом 10 см, специальными приборами (см. прил. 1); провести измерения радиоизотопными плотномером и влагомером с шагом геокриологических условий и требований к строящемуся объекту; провести измерения естественной радиоактивности, с шагом 0,3 м. Результаты измерений диаметра, показаний радиоизотопных приборов, естественной радиоактивности заносятся в полевой журнал (прил. 15).

4.17. Для измерений в обсаженных скважинах необходимо проверить состояние скважины и результаты проверки внести в полевой журнал. Обсадные трубы должны быть предварительно проверены на идентичность путем погружения в воду (заглушенным концом) и измерения в них показаний радиоизотопным плотномером. Разрешается применять для обсадки трубы, в которых разброс показаний не превышает 3 %; при измерениях радиоизотопными приборами затрубные зазоры не должны превышать 3 мм. Запрещается производить измерения в местах соединения обсадных труб. Последовательность выполнения операций по измерению радиоизотопными приборами та же, что и в необсаженных скважинах.

4.18. Обработка результатов радиоизотопных измерений производится с целью определения действительных значений плотности g , объемной влажности Wo и оценки вида грунта, а также их производных: плотности в сухом состоянии g d , природной суммарной влажности W , степени влажности Sr , коэффициента пористости е и т.д.

4.19. По измеренным значениям диаметра скважины вводят поправки в показания радиоизотопного плотномера по формуле

N g = Ni g di/do,

где N g - скорость счета, соответствующая значению плотности g с поправкой на диаметр; Ni g - измеренная скорость счета; di - измеренный диаметр; do - диаметр, на который отградуирован прибор.

4.20. Результаты радиоизотопных измерений представляют в виде диаграмм N g = f ( hi ); Nw = f ( hi ); N g e = f ( hi ), где hi - глубина измерений. В прил. 16 представлен пример обработки этих результатов.

4.21. На диаграммах выделяются вертикальные участки с одинаковыми значениями скоростей счета ( N g , Nw , ), т.е. отклонения от среднего значения не должны превышать 5 % по измеряемому показателю. Затем по среднему значению N g , Nw , присущему каждому выделенному слою, по градуировочным графикам N g = f ( g ), Nw = f ( W о ), определяют действительные значения g , W о , и приписывают их выделенному слою. После расчленения всех диаграмм на слои и определения действительных значений плотности g и объемной влажности W о вычисляют производные от этих величин. Если требуется более детальное исследование мерзлого массива, то обработку диаграмм производят по методике, описанной в [ 9].

4.22. Формулы вычисления производных:

плотность в сухом состоянии (плотность скелета) грунта g d

g d = g - ( W о g в )/100,

где g в - плотность воды;

суммарная (весовая) влажность ( W с )

W с = ( W о g в )/(100 g d ),

пористость ( n )

n = ( D - g d )/ D ,

где D - плотность твердых частиц, принимаемая в зависимости от вида грунта;

степень влажности Sr

Sr = W о / n ;

коэффициент пористости е

е = ( D - g d )/ g d .

После вычисления указанных параметров их значения относят к выделенным слоям (см. прил. 16).

5. ТЕРМОМЕТРИЯ

5.1. Инженерно-геокриологические исследования, выполняемые на площадках проектируемых, строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений, а также на опытных площадках, предназначенных для стационарных наблюдений, должны включать измерения температуры мерзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов.

5.2. Полевые измерения температуры должны выполняться в соответствии с ГОСТ 25358-82.

5.3. Полевые измерения температуры выполняются в целях:

получения данных для выбора типов фундаментов сооружений и выполнения расчетов при проектировании;

получения конкретных значений температуры, используемых при интерпретации результатов геофизических исследований;

оценки и прогноза устойчивости территорий освоения;

контроля и оценки изменений, происходящих в тепловом режиме грунтов при осуществлении различных инженерных мероприятий.

5.4. Измерения температуры должны выполняться в заранее подготовленных и выстоянных скважинах. Для выполнения температурных измерений при геокриологических исследованиях в основном используются следующие виды измерительных преобразователей температуры: термометры расширения; термоэлектрические термометры; термометры сопротивления металлические и полупроводниковые; полупроводниковые приборы.

Температуру мерзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов следует выражать в градусах Цельсия с округлением до 0,1 °С.

5.5. Инструментальная погрешность приборов для полевых измерений температуры грунтов не должна превышать в диапазоне температур, °С:

± 0,1                                            ± 3;

± 0,2                                            ± 3-10;

± 0,3                                            ± 10.

5.6. При подготовке и проведении термометрии необходимо выполнять работы по снижению суммарной погрешности измерений (инструментальной и дополнительной), обусловленной:

недостаточной выстойкой скважин после бурения и обустройства;

конвекцией воздуха в скважине;

конденсацией влаги на стенках скважин;

недостаточной выдержкой измерительного преобразователя в скважине;

неточной установкой термометров по глубине скважины;

неточностью определения момента фиксации температуры грунта;

недостаточной изоляцией проводов линий связи дистанционных датчиков температуры;

разогревом датчиков измерительным током.

5.7. Аппаратура и приборы для измерения температуры перед началом и после окончания полевого сезона, а также после выявления и устранения неисправностей должны проверяться путем сопоставления их с образцовыми мерами и иметь аттестаты поверок, содержащие величины поправок.

5.8. Градуировка и поверка температурных преобразователей должна выполняться с погрешностью не более 0,03 °С и включать температуру 0 ± 0,02 °С, при которой определяется поправка на «место нуля».

Ртутные термометры и медные термометры сопротивления разрешается поверять только на «место нуля».

Тарировка и поверка температурных преобразователей и измерительных приборов к ним должны проводится в лабораторных условиях на измерительных приборах более высокого класса точности, чем рабочие приборы.

5.9. Для измерения температуры грунтов следует использовать скважины диаметром не более 90 мм, пробуренные колонковым способом без промывки на малых оборотах бурового инструмента или ручным буровым комплектом. Не допускается использовать для измерения температуры грунтов скважины, заполненные водой, рассолом или другой жидкостью.

Скважина в пределах оттаивающего слоя грунта должна быть защищена обсадной трубой - кондуктором, заглубленным в вечномерзлый грунт не менее чем на 0,5 м.

Без обсадки разрешается использовать только сухие скважины с устойчивыми стенками.

5.10. Для инженерно-геокриологических исследований шаг измерения температуры в скважинах следует принимать: в пределах первых 3 м не более 0,5 м; до глубины 5 м - не более 1 м; ниже - не более 2 м.

5.11. При проведении режимных наблюдений на опытных площадках необходимо не нарушать растительный и снежный покров около скважин и на площадке в целом.

5.12. После окончания температурных измерений в полученные значения температур должны быть внесены инструментальные поправки, выявленные в результате поверки термодатчиков и измерительных приборов, и учтены дополнительные погрешности измерений (см. п. 5.6), которые оцениваются расчетным или опытным путем применительно к конкретным условиям их проявления.

5.13. Результаты измерений температуры следует оформлять в виде:

сводной ведомости значений температуры грунтов, скорректированных с учетом инструментальных и дополнительных поправок;

график распределения температуры по глубине для одноразовых измерений температуры или графика изотерм - для длительных режимных наблюдений.

Графики изотерм следует совмещать с геологическим разрезом, на котором показываются границы раздела талых и мерзлых грунтов, полученные инженерно-геологической и геофизической разведкой, с указанием даты проведения этих работ.

5.14. По результатам измерений температуры грунтов следует составлять технический отчет, который должен включать:

техническое задание и программу проведения термоизмерительных работ;

примененную методику измерений;

оценку инструментальных и дополнительных погрешностей;

акты поверок измерительной аппаратуры;

ситуационный план площадки с указанием плановой и высотной температуры грунтов;

результативные материалы (п. 5.13);

выводы о результатах термоизмерительных работ.

6. КОМПЛЕКС ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ

6.1. Задачами, стоящими перед комплексом геофизических методов являются:

изучение структуры массива с определением границ блоков, характеризующихся близким составом, строением, температурой и физико-механическими свойствами;

оценка степени неоднородности выделенных блоков и изучение изменения параметров грунтов в пределах каждого блока;

количественная оценка физико-механических свойств грунтов массива.

6.2. Комплекс включает в себя сейсмоакустические, электроразведочные, радиоизотопные геофизические методы и термометрию скважин.

6.3. Ни один из геофизических методов в отдельности не решает указанные задачи целиком. Комплексное использование геофизических методов с учетом возможностей каждого из них, указанных в разделах 2- 5 настоящих Рекомендаций, позволяет решить большинство поставленных задач.

6.4. Решение перечисленных задач осуществляется в три этапа. Задачей первого этапа исследований следует считать оценку структуры разреза и строения изучаемой площади. На основании этих сведений следует размещать горные выработки (скважины и при необходимости, определяемой техническим заданием, шурфы).

Задача следующего этапа состоит в детальном изучении разреза в точках заложения скважин, при этом с помощью комплекса геофизических методов определяются физико-механические характеристики мерзлых грунтов.

Завершающим этапом исследований является распространение значений физико-механических характеристик, определенных по скважинам, на изучаемый массив мерзлых грунтов и его элементы.

6.5. В соответствии с указанной последовательностью выполняемых работ на первом этапе должны применяться наземные геофизические методы, в число которых входит электропрофилирование и сейсмическое профилирование.

6.6. Выбор электроразведочных установок или систем наблюдения при сейсморазведке определяется на основании известных данных о строении площадки и рекогносцировочных работ. Наблюдения следует выполнять по одним и тем же профилям с шагом, размеры которого зависят от масштаба исследований и предполагаемой неоднородности массива. Сеть наблюдений при этом должна в обязательном порядке закрепляться на местности. К геофизическим профилям привязываются контуры площадной ландшафтной съемки участка.

6.7. В силу особенностей электропрофилирования МДС, позволяющих по измерениям на одном профиле устанавливать простирания границ, возможно разрежение сети электроразведочных профилей по сравнению с сейсморазведочными. Вместе с тем, в процессе выполнения геофизических наземных исследований результаты предварительной интерпретации могут подсказать необходимость детализации работ на отдельных участках сложного строения массива.

6.8. Интерпретация электроразведочных и сейсморазведочных данных первоначально выполняется раздельно. По данным электроразведки строятся геоэлектрические разрезы и планы простирания геоэлектрических границ по профилям, схема корреляции границ на плане участка и оценивается ρк выделенных элементов разреза. Результаты сейсморазведки представляются в виде геосейсмических разрезов, где кроме глубины залегания преломляющих границ указываются значения скоростей прямых волн в верхней части разреза и граничных скоростей продольных и поперечных волн вдоль преломляющих границ. Эти значения выносятся на план участка и, по возможности, также строится корреляционная схема.

6.9. Совместное рассмотрение результатов электроразведочных и сейсморазведочных данных позволяет составить предварительно представление о строении участка в плане и частично по глубине, а также о некоторых инженерно-геологических характеристиках пород на изучаемой площади. Эта информация и является выходной для задач первого этапа.

6.10. На втором этапе выполняются комплексные каротажные исследования скважин, включающие термометрию, радиоизотопные измерения влажности, плотности и естественной радиоактивности, акустический и электрический каротаж, а также акустическое межскважинное просвечивание и ВЭЗ в точке бурения.

6.11. Определение физико-механических характеристик по данным исследования скважин производится в две стадии. Первая стадия состоит в использовании данных каждого метода комплекса в отдельности, вторая - в определении ряда параметров с использованием данных различных методов, а также во взаимной проверке и корректировке результатов. Общая схема использования геофизических параметров для определения физико-механических характеристик мерзлых грунтов приведена на рис. 1.

6.12. Выполнение электроразведочных, сейсмоакустических, радиоизотопных работ и термометрии в скважине, а также инженерно-геологическая интерпретация их данных производится в соответствии с разделами 2- 5 настоящих Рекомендаций.

6.13. Дальнейшая интерпретация геофизических данных производится по совокупности результатов, полученных каждым методом в отдельности.

6.14. Результаты радиоизотопного каротажа и термометрии, представляемые в виде диаграмм объемной массы, влажности и температуры, являются непосредственными инженерно-геологическими характеристиками и уточнению со стороны других видов каротажа практически не подлежат.

6.15. Значения vP и vR или vP и vS , полученные по акустическим данным, используются для определения динамических модулей Юнга Eg , модуля сжатия К и сдвига G по известным формулам и номограммам, для чего необходимы дополнительные данные о плотности g , получаемые при радиоизотопном каротаже (рис. 4 и прил. 10).

6.16. Статический модуль упругости Ес определяется по значению Eg с использованием для этого корреляционной зависимости Ес = f ( Eg ). Временное сопротивление одноосному сжатию s сж определяется по зависимости, установленной между этим параметром с одной стороны и скоростью продольных волн и температурой с другой, s сж = f ( v Р , θ). Полученные значения Ес и s сж справедливы только для грунтов с массивной криогенной текстурой (прил. 10).

6.17. Значения vP в случае, если χ > 1 и vP ˝ при χ < 1 вместе со значениями температуры θ используются для определения объемной W o или суммарной Wc влажности при известном литологическом составе, оцениваемом по естественной радиоактивности. При известных из радиоизотопных исследований W o и Wc может быть оценен литологический состав с помощью номограмм, изображающих зависимость vP = f ( Wc , θ) для различных типов грунта (прил. 5).

6.18. Данные о литологическом составе совместно со значениями χ, Wo и θ используются для оценки общей льдистости грунта и ее компонентного состава: льда-цемента, льда шлировыделений и объемного соотношения шлиров, вытянутых в субгоризонтальном и субвертикальном направлении с помощью номограмм (прил. 11).

6.19. Значения параметров ρ m и ρ t , полученные с помощью электроразведки, используются для определения льдистости и ее компонентов по номограммам 2-6, для чего необходимо знание УЭС породы ρпр (УЭС минеральных прослоев или агрегатов с массивной криогенной текстурой). ρпр определяется с помощью номограммы 1 по известному литологическому составу, оцениваемому радиоизотопным и акустическим методами и температуре.

6.20. Заключительной стадией совместной интерпретации геофизических данных является взаимная увязка полученных физико-механических характеристик, выбор наиболее достоверных значений и расчленение всего разреза на интервалы, ими характеризуемые. Критерием выбора значений является сходимость данных различных методов с учетом возможной погрешности. Критерием выбора интервалов служит постоянство значений параметров внутри него. Результаты представляются в виде диаграмм, соответствующих характеристик по глубине, в данном случае уже не поточечных, а поинтервальных, с указанием разброса оцененных значений.

6.21. Следует иметь в виду, что получаемые величины характеризуют некоторый объем пород, значительно превышающий объем отбираемых образцов, и в связи с этим могут не совпадать с результатами лабораторных определений. При этом каротажные данные могут оказаться более объективными, что связано с ошибками визуального описания керна и определения глубины границ и точек отбора образцов после извлечения керна из снаряда.

6.22. Общая схема комплексного использования данных различных геофизических методов сводится к следующему (см. рис. 1):

термометрия дает значения температур, которые используются при интерпретации данных акустического и электрического каротажа;

радиоизотопные методы позволяют определять плотность, объемную влажность грунтов и оценивают литологический состав;

по данным акустического каротажа уточняется литологический состав, определяются криогенное строение и физико-механические свойства грунтов, для чего необходимы данные термометрии и радиоизотопного определения плотности и влажности;

электрический каротаж и ВЭЗ позволяют определять криогенное строение и льдистость, если известна температура и литологический состав, а также выделить в разрезе шлиры льда точнее, чем это позволяют другие методы.

6.23. На последнем этапе исследований, задачей которого является распространение инженерно-геологических характеристик, полученных по разрезу скважины, на элементы изучаемого массива, используются результаты наземных наблюдений (в основном ВЭЗ), а также специально выполняемого ВСП, детальность выделения границ с помощью которого превышает возможности прочих методов.

6.24. Наиболее надежные данные ВСП могут быть получены при встречном сейсмическом просвечивании с помощью двух скважин. Это приобретает особое значение, когда между скважинами имеются негоризонтальные границы. Если среда, пересеченная скважиной, горизонтально слоиста, то данные ВСП могут быть использованы для более точной оценки пластовых скоростей и, соответственно, для более точного определения инженерно-геологических параметров слоев.

6.25. Основанием для распространения характеристик грунтов на околоскважинное пространство является совпадение УЭС и скоростей упругих волн в скважине и в элементах массива.

Приложение 1

РЕКОМЕНДУЕМАЯ АППАРАТУРА

Методы

Название прибора

Марка прибора

Измеряемая величина

Единицы измерения

Диапазон

Основная погрешность

Дополнительные сведения

Радиоизотопные

Плотномер поверхностно-глубинный, радиоизотопный

ППГР-1

Плотность

т/м3

0,8-2,3

±0,03

Серийный

Влагомер поверхностно-глубинный радиоизотопный

ВПГР-1

Объемная влажность

%

2-100

2 %

Серийный, ВО «Изотоп»

Плотномер-влагомер совмещенный глубинный радиоизотопный

ПВСГР-2

Плотность

т/м3

0,8-2,3

±0,03

Опытные образцы НИИОСП

Объемная влажность

%

2-100

±2

Плотномер-влагомер совмещенный радиоизотопный глубинный

ЛКС-1К

Плотность

т/м3

0,8-2,3

±0,03

Подготавливаемый к серийному выпуску ВО «Изотоп»

Влажность

%

2-100

±2

Радиоизотопный прибор

УР-70

Плотность

т/м3

0,8-2,3

±0,03

Опытные партии НИИГеофизики, Ленинград

Влажность

%

2-100

2

Измеритель диаметра скважины

ИДС-2

Диаметр скважины

мм

50-90

±0,5

Опытные образцы НИИОСП

Электроразведочные на постоянном токе

Электронный стрелочный компенсатор

ЭСК-1

Разность потенциалов

мВ

1-1000

±3 %

Серийный, R вх ³ 4 МОм

Ток

сА

1-300

±3 %

Автокомпенсатор электроразведочный

АЭ-72

Разность потенциалов

мВ

1-1000

±3 %

Серийный, R вх ³ 1,5 МОм

Ток

мА

3-3000

±3 %

Электроразведочные на переменном токе

Аппаратура низкой частоты

АНЧ-1

Разность потенциалов

мВ

0,1-1000

±5 %

Серийный, R вх ³ 1,5 МОм,

рабочая частота fp = 4,86 Гц

Ток

мА

1-300

± 4,5 %

АНЧ-3

Отношение разности потенциалов к току

В/А

3·106 - 10

±5 %

Серийный, рабочая частота fp = 4,86 ГЦ

Измеритель кажущихся сопротивлений

ИКС-1

Разность потенциалов

В

5·10-6 - 100

±3,5 %

Серийный, R вх ³ 1,5 МОм,

рабочая частота fp = 22 Гц

Отношение разности потенциалов к току

Ом

5·10-4 - 104

±3,5 %

Акустические

Ультразвуковые приборы

УК-10П

(УК-11П,

УК-12П,

УК-14П,

УК-15П,

УК-16П)

Время

мкс

0,1-9999

±1 %

Серийные, питание универсальное от сети и батарей

Испытатель кабелей и линий малогабаритный

Р5-5

Время

мкс

0,1-1000

±1 %

Серийный, питание универсальное от сети и батарей. Специальная переделка

Дефектоскопы

ДУК-66П

(ДУК-8М,

ДУК-68,

ДУК-12)

Время

мкс

-

-

Серийные, питание сетевое. Для лабораторных измерений

Приложение 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВКИ ЗА ДИАМЕТР СКВАЖИНЫ И ГЛУБИНЫ ТОЧКИ ЗАМЕРА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ρ t МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКАРОТАЖА

При электрокаротаже, как известно, ρ к = К D V/ I , где К = 4 p АМ. Однако эти формулы справедливы для линейного зонда с точечными электродами. При использовании щеточных электродов в сухих необсаженных скважинах необходимо вводить поправку к коэффициенту К за диаметр скважины по следующей формуле:

K ист = Кт а,

где Кист - исправленное значение К; Кт - теоретическое значение К для зонда с точечными электродами; а - коэффициент, определяемый по рисунку, где по оси абсцисс отложено отношение размера зонда AM к диаметру скважины, измеренных в одинаковых единицах длины.

При электрокаротаже сухих скважин необходимо также учитывать завышение ρ к за счет влияния верхнего полупространства над дневной поверхностью изучаемого массива. Эта поправка производится по формуле

где  - исправленное значение;  - измеренное значение; δ ак = D ρ / ρ к - относительная ошибка измерений за счет влияния верхнего полупространства.

Величина D ρ / ρ к определяется по рисунку, где по оси абсцисс отложено отношение глубины точки замера к размеру зонда, измеренных в одинаковых единицах длины.

Графики поправок к ρ к при электрокаротаже

а - коэффициент поправки за диаметр скважины; б - ошибка ρ к за счет влияния верхнего полупространства

Приложение 3

НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЬДИСТОСТИ Лв МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА*

* По Боголюбову А.Н.

Для расчета номограмм использованы теоретические модели мерзлых грунтов, представляющие собой блоки с массивной криогенной текстурой, разделенные пространственной решеткой из прослоев льда различной мощности.

Для моделей мерзлых грунтов со слоистой, сетчато-слоистой и равномерно-сетчатой текстурой на основании законов Ома и Кирхгофа по известным значениям УЭС ледяных прослоев ρ n , и грунта с массивной криогенной текстурой ρ пр получены следующие выражения для электрических характеристик:

для грунтов со слоистыми текстурами:

где μ - соотношение УЭС льда и породы с массивной текстурой; ρ n - поперечное УЭС; ρ t - продольное УЭС; ρ m - среднеквадратическое УЭС; λ - коэффициент анизотропии;

m = Σ h л / Σ h г ,

где Σ h л - суммарная мощность ледяных шлиров в единице объема; Σ h г - суммарная мощность прослоев породы с массивной текстурой в единице объема;

для грунта со слоисто-сетчатыми текстурами:

где m - отношение суммарной мощности льда, составляющего основную систему шлиров, к суммарной мощности грунта между ними; q - то же, относящееся к подчиненным системам шлиров.

Рис. 1. Номограмма 1 для определения УЭС породы ρ пр

1 - песчано-гравийные смеси; 2 - гравийно-песчано-глинистые смеси; а - пески; б - супеси; в - суглинки; г - глины

Для равномерно-сетчатой текстуры, где m = q , λ = 1, имеем

По указанным формулам на основе данных рис. 1 были рассчитаны номограммы рис. 2- 5 слоисто-сетчатых криотекстур. Номограммы построены для различных μ = ρ л / ρ пр При этом ρ пр определялось из номограммы 1 для соответствующего типа грунта, а ρ л всегда принималась равным ≈ 105 Ом∙м, которое характерно для пресных льдов. Параметр номограмм q / m определяет степень слоистости: q / m = 1 - равномерно-сетчатая; q / m = 0 - слоистая.

Рис. 2. Номограмма 2 для определения льдистости супеси (μ = 20) со слоисто-сетчатой текстурой

Рис. 3. Номограмма 3 для определения льдистости легких суглинков (μ = 100) со слоисто-сетчатой текстурой

Рис. 4. Номограмма 4 для определения льдистости тяжелых суглинков (μ = 500) со слоисто-сетчатой текстурой

Рис. 5. Номограмма 5 для определения льдистости глин (μ = 1000-3000) со слоисто-сетчатой текстурой

Рис. 6. Номограмма 6 для определения льдистости дисперсных грунтов с линзовидной текстурой и соотношения размеров линз во взаимоперпендикулярных направлениях

Номограмма 6 для линзовидной криотекстуры рассчитана* по формулам, приведенным в работе [ 8]. Номограмма построена в предположении μ ³ 1, что практически всегда выполняется в случае пресных льдов, и поэтому является универсальной для всех типов грунтов.

* Номограмма рассчитана Рождественским Н.Ю.

В номограмме рис. 1 приняты следующие обозначения: θ - температура, °С, М - минерализация, г/л, b гл - объемное содержание глинистых частиц в долях единицы, b гр - объемное содержание гравия в долях единицы.

Приложение 4

ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЬДИСТОСТИ ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

Определение льдистости рассмотрим на примере площадки в районе г. Лабытнанги. Геологический разрез площадки представлен супесчано-суглинистым грунтом, мерзлым с глубины 0,6 м. Криотекстура по всему разрезу преимущественно слоисто-сетчатая с размерами шлиров 2-4 мм в верхней части и 25-40 мм на глубинах ниже 4 м. Скважина пройдена с отбором керна, по которому визуально определялась льдистость Лв, значения которой изображены звездочками ( X ) на диаграмме Лв рисунка. В скважине были проведены термометрия и электрический каротаж потенциал-зондом А1, ОМ, а вблизи устья скважины - ВЭЗ. Результаты электрокаротажа и ВЭЗ представлены на рисунке. По каротажу выделяется 3 слоя Н = 1-4 м, ρ t = 110 Ом·м; Н = 4-7 м, ρ t = 300 Ом·м, Н = 7-10 м, ρ t = 100 Ом·м.

По ВЭЗ выделено 2 слоя мерзлой толщи: Н1 = 0,5-4 м; ρ m = 630 Ом·м, Н = 4-10 м, ρ m = 2700 Ом·м, мощность которых Н определялась с учетом поправки за анизотропию. Для каждого из слоев находим следующие параметры (см. таблицу): ρ пр для суглинистого и супесчаного грунта при температуре - 0,5 и - 1 °С по номограмме 1, прил. 3; ρ m / ρ пр , ρ t / ρ пр , λ = ρ m / ρ t - вычислением; Лв для суглинистого и супесчаного грунта по номограммам 3, 4 прил. 3, используя значения ρ m / ρ пр и ρ t / ρ пр . Полученные по номограммам значения льдистости Лв, равные 0,05, 0,35 и 0,2 для 1-, 2- и 3-го слоев соответственно достаточно хорошо совпадают со значениями Лв, определенными по керну.

Пример определения льдистости

Льдистость Лв и параметры, необходимые для ее определения по данным электроразведки

Н, м

Тип грунта

Температура, °С

ρ пр , Ом·м

ρ m /ρ пр

ρ t /ρ пр

λ

Криотекстура

Лв

Используемая номограмма

0,5-4

Суглинок

-0,5

90

7,3

1,2

5,7

Слоисто-сетчатая

0,05

4

4-7

«

-1

150

18

2

9

«

0,35

3

7-10

Супесь

-1

500

3,9

1,8

3

«

0,2

3

Приложение 5

ОБОБЩЕННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ФИКСИРОВАННЫХ ЗНАЧЕНИЯХ ВЕСОВОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА*

*По Зыкову Ю.Д., Червинской О.П.

Обобщенные зависимости

а - мелкозернистые пески; б - крупнозернистые пески; в - отмытые пески; г - супеси; д - суглинки; е - низкопластичные глины; ж - среднепластичные глины; з - высокопластичные глины

Приложение 6

МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕРЗЛОГО ГРУНТА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЕГО ВЛАЖНОСТИ

Экспериментальные исследования связей между составом, температурой и упругими свойствами производятся на модели, отвечающей принципу равномерного распределения дисперсных частиц грунта в единичном объеме, частично или полностью заполненном незамерзшей водой и льдом (рисунок). Параметрами модели являются объемная влажность, пористость, степень заполнения пор водой и льдом, содержание незамерзшей воды и льда (фазовый состав), общая плотность и плотность скелета, а также изучаемые упругие свойства.

Модель синтезирует два взаимосвязанных процесса: заполнение порового пространства водой и льдом до полного влагонасыщения и замещение минеральной части скелета модели соответствующим количеством льда при полном влагонасыщении.

При увеличении объемной влажности W о от 0 до 100 % параметры модели изменяются следующим образом. Величина пористости n , определяемая начальной упаковкой грунтовых частиц, при изменении Wo от 0 до полного влагонасыщения остается постоянной. При этом степень заполнения пор водой и льдом q возрастает от 0 до 1, плотность скелета g ск не меняется, а общая плотность g увеличивается за счет влагонасыщения. Дальнейшее увеличение Wo до 100 % при q = 1 приводит к следующим предельным значениям параметров: n → 1; g ск → 0; g → g л . При изменении температуры в модели происходит перераспределение объемных составляющих незамерзшей воды и льда. На рисунке схематично показаны также вероятные изменения скорости упругих волн при рассмотренных изменениях параметров модели.

Схема изменения параметров мерзлого грунта

Приложение 7

КАЛИБРОВКА ПРИБОРА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ПРОСВЕЧИВАНИИ

Истинное время распространения упругих волн t и рассчитывается по формуле

t и = t отс K - D t ,

где t отс - время, отсчитанное по шкале прибора, мкс; К - множитель цены деления устраняет возможность ошибок, обусловленных неидеальной калибровкой временного канала акустических приборов; D t - поправка, включающая аппаратурные задержки, задержку за ошибку определения времени первого вступления и задержку в мембранах датчиков.

Множитель цены деления К и поправку D t рекомендуется определять по следующим формулам:

Эти значения определяют в результате измерений на различных базах на любой эталонной среде, скорость распространения упругих волн в которой заранее известна. В качестве эталонной среды может быть использована дистиллированная вода, температура которой в момент профилирования должна быть известна. На рисунке приведена зависимость скорости упругих волн в пресной воде от температуры, с помощью которой определяется истинная скорость v эт . Тогда t 1 и = v эт / X 1 и t 2 и = v эт / X 2 .

Значения времени t 1 отс и t 2 отс соответствуют отсчету времени на двух базах X 1 и Х2 в эталонной среде. За базы X 1 и Х2 принимаются точки годографа t = f ( x ), наилучшим образом совпадающие с осредняющей прямой.

Указанная калибровка прибора и преобразователей проводится до и после каждого цикла измерений.

Зависимость скорости звука в пресной воде от температуры

Приложение 8

ФОРМА ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ СКВАЖИННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Акустический каротаж

Глубина, м

Номера датчиков, излучателей, приемников

База L, м

Продольная волна Р

Поверхностная волна R

Отношение vR / vP

Форма сигнала

ho т c

h ист

Фаза

Время t отс , мкс

Скорость по годографу vP , м/с

Фаза

Время t отс , мкс

Скорость по годографу vR , м/с

Межскважинное просвечивание

Глубина, м

База, м

Продольная волна Р

Поперечная волна S

Примечание

ho т c

h ист

без поправок х

с поправкой х + D х

Время, мкс

Скорость vP , м/с

Угол поворота

Время, мкс

Скорость vS , м/с

t отс

t ист

t отс

t ист

Приложение 9

СВОДНЫЕ ДИАГРАММЫ ЗАВИСИМОСТЕЙ vP ОТ ПАРАМЕТРОВ СОСТАВА И ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Сводные диаграммы

а - пески; б - суглинки; в - глины

Приложение 10

НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПО СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Рис. 1. Номограмма для определения модуля упругости Юнга по значениям скорости продольных волн, коэффициента Пуассона и плотности

Рис. 2. График зависимости между скоростью продольных волн и модулем общей деформации для мерзлых грунтов

1 - глины; 2 - супеси

Рис. 3. График зависимости между статическим Ес и динамическим Eg модулями упругости для мерзлых грунтов

Рис. 4. Номограмма для определения s сж по значениям vp и температуры

Приложение 11

НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЛЬДИСТОСТИ ПО ДАННЫМ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ*

*По Зыкову Ю.Д., Червинской О.П.

Рис. 1. Номограммы для определения компонентов льдистости для суглинков при разной температуре

Рис. 2. Номограммы для определения компонентов льдистости для глин при разной температуре

Приложение 12

ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЭЛЕМЕНТОВ КРИОГЕННОГО СТРОЕНИЯ ПО ДАННЫМ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Определение строения и свойств мерзлого массива рассмотрено на примере площадки в районе г. Лабытнанги. На площадке пробурены две скважины, в которых проведены акустические измерения АК и МП. Геологическая колонка и данные визуальной оценки льдистости Лв представлены в прил. 10.

Результаты АК ( v Р и vR ) и МП ( vP ˝ ), а также вычисленные значения χ представлены в виде соответствующих диаграмм на рисунке. На диаграммах выделяются четыре интервала; средние по интервалам значения скоростей упругих волн и χ даны в таблице. Дальнейшая интерпретация ведется в полном соответствии с пп. 3.33- 3.47 Рекомендаций. Результаты определения интервальных значений физико-механических свойств и элементов криогенного строения даны в таблице.

Результаты акустического каротажа и межскважинного просвечивания


Результаты определения интервальных значений физико-механических свойств и элементов криогенного строения по результатам акустических измерений

Глубина интервала Н, м

Плотность g , г/см3

Суммарная влажность W с , %

Объемная влажность W о

Влажность грунтовых прослоев W

Скорости упругих волн, м/с

μ

Е g , ГПа

G , ГПа

K, ГПа

Едеф, МПа

Ест, ГПа

s сж МПа

χ

Компоненты криотекстуры, в долях единицы

Лв

v Р

vP ˝

vR

Л׀׀

Л i

Лц

Лрр

1-2,5

1,75

4,2

0,5

0,35

2540

2640

1270

0,3

7,8

3

6,5

5,1

2,1

1,4

1,039

0,09

0,4

0,35

0,05

0,14

2,5-4,4

1,7

5,3

0,56

0,35

2630

2690

1300

0,31

9,1

3,51

8,07

54,5

2,5

1,5

1,022

0,07

0,55

0,35

0,2

0,27

4,4-7,5

1,5

65

0,59

0,35

2940

3200

1420

0,315

10,4

3,95

9,37

6,80

3

2,1

1,088

0,37

0,35

0,35

0

0,37

7,5-10

1,73

52

0,56

0,25

3430

3430

1700

0,31

15,3

5,83

13,42

9,35

4,9

2,75

1

0

0,56

0,25

0,31

0,31


Приложение 13

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ПО ДАННЫМ РАДИОИЗОТОПНОГО КАРОТАЖА

Рис. 1. Градуировочный график зависимости плотности грунта g от регистрируемой скорости счета N g

Рис. 2. График зависимости объемной влажности W о от относительной скорости счета NWt / с учетом плотности скелета грунта g ск .

Приложение 14

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РАДИОИЗОТОПНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ОБЪЕМНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ

Практика применения радиоизотопных плотномеров и влагомеров и анализ зависимостей регистрируемых этими приборами скоростей счета от плотности и объемной влажности показывают, что зависимость плотности g i от скорости счета Ni можно с достаточной точностью апроксимировать следующей функцией:

g i = 1 + a g lg Nв/Ni,                                                           (1)

где a g - постоянный коэффициент (при конкретных условиях измерений радиоизотопным плотномером); Nв - скорость счета на эталонной среде с плотностью, равной 1 г/см3 (в качестве такой среды обычно принимается вода).

Коэффициент a g определяется при измерении на любой эталонной среде с известным значением g i

a g = ( g i - 1)/lg Nв/Ni.                                                           (2)

Для радиоизотопного влагомера зависимость объемной влажности W о от регистрируемой скорости счета Ni при полном влагонасыщении грунта может быть описана следующей функцией:

Wоi = (Ni/Nв) aW,                                                              (3)

где aW - постоянный коэффициент (при конкретных условиях измерений нейтронным влагомером).

Коэффициент aW определяется (как и в случае радиоизотопного плотномера) при измерении на любой эталонной (водонасыщенной) среде с известным значением W о i :

aW = lg Wоi/lg Ni Nв.                                                            (4)

При измерениях радиоизотопным влагомером на любом (водонасыщенном и неводонасыщенном) грунте объемную влажность можно определить по зависимости

W о i = А ( Ni / N в ) - В,                                                          (5)

где А и В - коэффициенты, причем коэффициент А = f ( g d ), а В = 0,02.

Зависимость коэффициента А от g d может быть аппроксимирована выражением вида

                                                          (6)

Для определения коэффициентов Ао и К, входящих в зависимость ( 6), необходимо иметь либо минимум две эталонные среды с различными значениями g d , либо иметь зависимость ( 3) для водонасыщенных грунтов и найти коэффициент А, как функцию g d для точек, расположенных на графике формулы ( 3) с использованием формулы ( 5).

Определение объемной влажности по формуле ( 5) при неизвестном значении плотности g d производят путем последовательных приближений (итераций). Для этого вначале определяют объемную влажность, соответствующую g d = 1,6 г/см3. Затем по полученному значению плотности грунта и объемной влажности определяют новое значение g d . Если новое значение g d отличается от g d = 1,6 г/см3 более чем на 0,5 г/см3, производят следующее определение объемной влажности для нового значения g d и снова определяют g d . Эту операцию производят до тех пор, пока последующее значение будет отличаться от предыдущего менее чем на 0,5 г/см3. Обычно конечный результат достигается за 1-2 описанные операции.

Приложение 15

ФОРМА ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Участок______________________ «____»_______________ 198____ г.

Скважина № _______________________________ км ________________

№ п. п.

h , м

dnpo б , мм

d измер мм

Kd

N g , имп/с

KN g , имп/с

, имп/с

NW , имп/с

g , т/м3

W о , %

g d, т/м3

W с , %

t изм , мин

Примечание

Оператор:                                   Вычислитель:                                  Проверил:

Приложение 16

ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛОГО ГРУНТА ПО ДАННЫМ РАДИОИЗОТОПНОГО КАРОТАЖА

Пример определения

1 - глинистый грунт с валунами - 20 %, с супесью, заполнитель до 40 % гнезда крупного и гравелистого песка, мерзлый, тонкокорковая криотекстура, при оттаивании водонасыщенный; 2 - песок гравелистый, мерзлый. Криотекстура массивная, при оттаивании водонасыщенный

ЛИТЕРАТУРА

1. Рекомендации по применению геофизических методов для определения инженерно-геологических характеристик мерзлых дисперсных грунтов/ПНИИИС Госстроя СССР - М.: Стройиздат, 1984. - 32 с.

2 . Справочник геофизика. Т. 3. Электроразведка. - М.: Недра, 1980. - 518 с.

3. Инструкция по электроразведке/Министерство СССР. - Л.: Недра, 1984. - 352 с.

4. Руководство по интерпретации кривых ВЭЗ МДС/ПНИИИС Госстроя CCC Р. - М.: Стройиздат, 1984. - 200 с.

5. Рекомендации по лабораторному изучению строения мерзлых грунтов/ПНИИИС Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1984. - 36 с.

6. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства криогенных пород. - М.: Наука, 1977. - 254 с.

7. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. - М.: Недра, 1979. - 214 с.

8. Зыков Ю.Д., Рождественский Н.Ю., Червинская О.П. Упругие и электрические свойства сильнольдистых мерзлых пород и льда//Проблемы геокриологии. - М.: Наука, 1983. - С. 118-127.

9. Тишкин В.А., Гребешев В.М., Мамзелев А.П. Применение изотопных методов при изысканиях//Транспортное строительство. - 1985. - № 11. - С. 14-16.

10. Горяинов Н.И., Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. - М.: Недра, 1979. - 143 с.

11. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 177.

Еще документы скачать бесплатно

Интересное

Гост 19034 82 Гост 7 32 2001 Допуски и посадки таблица Максимальная масса транспортного средства Наружные пожарные лестницы требования Нормы выдачи сиз Пособие по проектированию железобетонных конструкций Проточка Размеры болтов Размеры транспортерных лент для желобчатых Конвейеров Снип 2 01 01 82 Снип проектирование жилых зданий Схема вентиляции Требования к пожарным шкафам Ударный ток